顶驱导轨快捷安装装置

陈悦军  解文芳  雷昊天  郭妍琼  赵伟

（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070）

摘要 导轨是顶驱系统中重要的部件，导轨安装时，第一节导轨与连接板在高空中用销轴联接，对中非常困难，往往需要花费较多安装时间。针对该情况，设计了导轨快捷安装装置。该装置具有安装拆卸方便，安全可靠、免维护等特点。厂内试验表明，导轨安装只需1~1.5h，提高了工作人员的劳动效率，具有较好的市场应用前景。

关键词  顶驱导轨 棘轮块 顶块 安装 拆卸

中图分类号：TH122     文献标识码：

Guide Beam Quick Installation Device in Top Drive Drilling System

CHEN Yue-jun, XIE Wen-fang, LEI Hao-tian, GUO Yan-qiong, ZHAO Wei

( Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

Abstract: Guide beam is an important part in the top drive drilling system. Usually， spending more time to align the pin shaft holes those are in the guide beam sections separately while the  guide beam is assembled aloft. Aiming at this situation, we designed guide beam quick installation device to figure out the issue. The device has the characteristics of convenient installation and disassembly, safe and reliable, and maintenance free. The factory trial shows that the installation of guide beam is only 1~1.5h, which improves the working efficiency of the staff and has a good prospect of market application.

Key words: guide beam, ratchet block, pushing plate, installation, disassembly

0 引言

顶驱作为一种高效的钻井系统，从美国NOV（VARCO）在1982年研制开发出第一台顶驱以来，已有20多年的发展历史^[1]。它具有钻井速度快、操作简便、可减轻工人劳动强度、最大限度避免钻井事故等特点，目前已经被越来越广泛地应用于国内外各大钻井公司。

顶驱可以从井架上部空间直接旋转钻杆完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣以及倒划眼等多种钻井操作^[2-5]。导轨能够使顶驱上下移动，并承受顶驱向下钻进或卸扣时的反扭矩，是一个不可或缺的重要部件。目前顶驱搬家安装时间，导轨的安装存在一些效率低，劳动强度大，高空作业时间长等问题，为此，本文设计了一种能够快速安装的导轨装置，以减少高空作业时间，提高劳动效率。

1. 导轨结构及安装形式

顶驱导轨由连接板、第一段组合导轨、第二段导轨到第六段导轨组成，为分段结构，导轨安装拆卸过程占用顶驱安装拆卸过程80%的时间。现以常用顶驱导轨安装形式及方法来分析：

1）顶驱装置第一次在井架上安装时，需在井架天车底板下安装好导轨联接支座。井架起升之前，把连接板用螺栓和别针挂在支座下面，如图1所示。

图1 顶驱导轨连接板与支座联接示意图

2）将顶驱与运输架移运至钻台上，缓慢下放游车，大钩直接与顶驱提环相连。用气动绞车将第一节导轨吊起与顶驱本体导轨对接，上提游车，将顶驱主体与运输架分离。

3）将第三节导轨吊至钻台面，下放游车将顶驱本体导轨下端与第三节导轨上端连接。

4）按上述方法，依次安装其余导轨。

5）上提游车，同时用吊筐上吊2~3人至井架顶端，用两个U型环和螺栓将第一节导轨与连接板连接，并确保别针安装可靠，如图2所示。

图2顶驱导轨连接板与第一节导轨联接示意图

    通过上述导轨安装方法可知，导轨段与段之间的连接全部在钻台上低位安装，安全性高，安装操作快捷。而导轨与连接板之间的连接操作为高空作业，危险系数高，耗费时间多。

2.  导轨优化设计

2.1 结构

针对上述顶驱导轨安装过程中遇到的安全性差、耗费工时多的共有问题，采用了一种全新的导轨连接板和第一段导轨的快捷安装装置，可安全快捷地完成顶驱导轨安装拆卸过程中的井架顶端操作工作。

导轨快捷安装装置结构如图3所示，主要由连接板、棘轮块、调整板及顶块等组成。连接板为中空的长方体薄壁结构，其上设有棘轮块和销轴孔，棘轮块通过连接板中开有的长方孔安装在连接板内部，连接板上端与天车底部所焊支座通过U型环连接。第一段组合导轨前端为调整板，调整板为U型结构，其上开有三组孔组，根据井架的高度，顶块用沉头螺栓安装在与井架高度相适应的调整孔组上；调整板插入连接板可以上下移动。

图3 顶驱导轨快捷安装装置

1-支座；2-U型环；3-连接板；4-棘轮块；5-销轴孔； 6-调整板；7-顶块；8-调整孔组。

2.2 工作原理

顶驱导轨快捷安装装置在上下移动一次即能实现定位或脱离，得益于棘轮块和顶块的巧妙设计，安装前，工作人员需在地面将棘轮块调整到位置一所示状态，如图4所示。

安装时，上提第一段组合导轨，顶块钩上设计有不等边倒角，可以使顶块钩轻松通过棘轮块。顶块上的凸柱一顶触棘轮块，使棘轮块旋转，当凸柱一顶触到棘轮块凹槽底时，导轨无法再往上移动，同时棘轮块也不再旋转，如图4中位置二所示。到达位置二后，导轨沿着连接板内壁靠自重向下移动，在下移过程中，顶块钩与棘轮块再次接触，带动棘轮块旋转，当旋转到图4中位置三状态时，棘轮块已将顶块位置相对限定，导轨无法向下继续移动，棘轮块也无法再旋转，此时，连接板与第一段组合导轨位置已经相对固定，连接板销轴孔与导轨销轴孔也完全对中，工作人员只需将销轴插入销轴孔并别上别针即可完成安装。

当导轨需要拆卸时，工作人员取出销轴之后，游车提着导轨向上运动，凸柱一顶触棘轮块旋转，当旋转到一定角度时，棘轮块同时与凸柱一和凸柱二接触，限制导轨上行，即为图4所示位置四工作状态。到达位置四后，游车提着导轨靠导轨自重向下移动，顶块钩迫使棘轮块旋转，最后重新回到位置一状态，连接板与导轨脱离，至此，连接板与导轨拆卸完毕。

      位置一             位置二                位置三                位置四

图4 顶块和棘轮块各位置状态

2.3 技术特点

连接板下端内部为内倒角结构，调整板上部为外倒角结构，连接板和调整板为间隙配合，因此，调整板很容易进入连接板并在连接板内部滑动。

棘轮块的旋转体安装在连接板的中心线位置，其两侧为V字型结构，中间位置安装有棘轮棘爪机构，因此，旋转体不能自由旋转，只能被动转动，如图5所示。

图5 棘轮块结构图

1-旋转体；2-棘爪。

顶块上设计有顶块钩和凸柱，非对称的凸柱能保证安装上移时只有凸柱一和旋转体接触，而凸柱二只有在需要拆卸上移时与凸柱一联合将旋转体固定在图4位置四状态。

在安装下移过程中，顶块钩侧面与底部分别与旋转体接触，使第一段组合导轨不能再继续下移，从而实现连接体销轴孔与调整孔组中的销轴孔对中实现定位。

3. 试验与结论

3.1试验情况

   顶驱导轨快捷安装装置研发设计并完成样机制造后，在厂区进行了多次试验，试验表明，该装置无需工作人员费力地将销轴孔对中，只需一人在井架顶端轻松操作就可完成，大幅度减少了井架顶端操作人员的工作时间和劳动强度，同时又降低了安全风险，安装时间只需1~1.5小时，可以极大减少导轨的安装时间。

23.2结论

与传统顶驱导轨直接穿销轴连接方法相比，顶驱导轨快捷安装装置结构简单，连接板和第一段组合导轨只需上下分别移动一次即可完成销轴孔的对中，解决了销轴孔不易对中的难题。在拆卸时，也只需上下分别移动一次即可完成拆卸工作，安装拆卸方便快捷，缩短了安装人员在高空中作业时间，大幅降低工作的劳动强度，极大提高了操作安全性，而且免于维护，具有较好的市场应用前景。

参考文献：

[1]  陶涛.7000米顶部驱动钻井装置设计计算[D].北京：中国石油大学，2011.

[2]  SY/T 6726-2008, 石油钻机顶部驱动装置[S]. 北京：国家发展改革委员会，2008.

[3]  李继志，陈荣振. 石油钻采机械概论[M]. 东营：石油大学出版社，2000:80~159.

[4]  陈朝达，顶部驱动钻进装置（一）[J]. 石油矿场机械，2000,29(3):1-5.

[5]  陈朝达，顶部驱动钻进装置（二）[J]. 石油矿场机械，2000,29(4):1-5.